八字形槽漏泄同軸電纜耦合損耗仿真分析

李明儒，黃曉勇，衛(wèi) 晶，楊 曄

(1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071;2.西安西電光電纜有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)處，陜西 西安 710082)

漏泄同軸電纜是一種利用同軸電纜外導(dǎo)體上的開縫向外輻射電磁波，與外部空間進(jìn)行無線通信的導(dǎo)波裝置。它在同軸電纜的外導(dǎo)體表面，按照一定的規(guī)律周期性或非周期性配置一系列的開槽口，每個(gè)開槽口都相當(dāng)于一個(gè)電磁波輻射源，輻射出的電磁波能被周圍的天線接收［1］。相反，漏泄同軸電纜也可以接收其周圍空間的電磁波信號(hào)，然后傳送到固定接收機(jī)，從而可以實(shí)現(xiàn)與外部空間的全方位雙工無隙通信。漏泄同軸電纜具有信號(hào)覆蓋均勻、低耦合損耗、容易安裝等優(yōu)點(diǎn)［2－3］，被應(yīng)用于地鐵、隧道、地下商場、礦井等閉域空間，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 理論分析

漏泄同軸電纜的電氣性能指標(biāo)主要有:即使用頻帶、耦合損耗以及傳輸損耗。漏纜的設(shè)計(jì)主要圍繞使用頻帶、耦合損耗和傳輸損耗等參數(shù)進(jìn)行。使用頻帶與電纜外導(dǎo)體上槽孔的排列方式有密切的關(guān)系，與槽孔的大小和形狀關(guān)系不大。耦合損耗則依賴于槽孔的排列方式、大小及形狀［4］。因此，確定漏泄同軸電纜的槽孔排列方式是輻射型漏泄同軸電纜設(shè)計(jì)中必須首先解決的問題，然后再根據(jù)耦合損耗設(shè)計(jì)槽孔大小和形狀。

1.1 使用頻帶

根據(jù)空間諧波的輻射理論，當(dāng)在漏泄同軸電纜的外導(dǎo)體上開槽口時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多空間諧波。大多數(shù)諧波以表面波的形式存在，只有當(dāng)諧波模數(shù)m≤－1時(shí)，才能產(chǎn)生輻射波，產(chǎn)生輻射波的頻率范圍由式(1)給出

圖1為外導(dǎo)體開有周期性單八字形槽孔漏纜的空間諧波模式圖，從圖中可以看出，當(dāng)f＜f1時(shí)，電磁波僅以表面波的形式存在;當(dāng)f＞f1時(shí)，－1次模的波開始輻射。隨著頻率的增加，－3，－5越來越多的高次模開始出現(xiàn)。此時(shí)，多個(gè)模式的波同時(shí)存在，即多模輻射。因?yàn)楸砻娌ǖ膱鰪?qiáng)容易受電纜周圍環(huán)境的限制，而且抗干擾能力差，空間傳輸距離也很短，所以通常采用輻射波來傳遞信號(hào)。多模輻射區(qū)各種模式相互干擾，場強(qiáng)波動(dòng)較大，不適宜傳遞信號(hào)。單模輻射區(qū)可以產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定的電磁場來傳遞信號(hào)，是漏纜的有效使用頻帶［5］。單模輻射的區(qū)域是在f1和3f1之間，帶寬是2f1，可以通過開設(shè)新槽孔或者改變槽孔分布的方法擴(kuò)展漏纜的使用頻帶。

圖1 單八字形槽漏纜的空間諧波模式圖

1.2 耦合損耗

耦合損耗是表征輻射型漏泄同軸電纜與外界環(huán)境之間電磁波能量耦合強(qiáng)度的特性參數(shù)，也是區(qū)別輻射型漏泄同軸電纜與其他射頻同軸電纜的惟一指標(biāo)。通常在距離漏纜2 m處放置一個(gè)半波偶極子天線，偶極子天線的接收功率可由天線的有效面積與其接收到的電磁波的坡印廷矢量的乘積得到。標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子天線的有效面積為0.13［6］，則天線的接收功率為

漏纜的傳輸功率為

漏纜的耦合損耗計(jì)算式為

將式(2)，式(3)代入式(4)得

式(2)中，η0=120π為自由空間的波阻抗;VO為漏纜內(nèi)外導(dǎo)體間的電壓;ZO為電纜的特性阻抗;H為偶極子天線接收到的磁場分量。

由于耦合損耗在大多數(shù)情況下都是沿漏纜變化的，所以通常又以概率的方法定義整根漏纜的耦合損耗。半波偶極子天線在沿漏纜軸向平行移動(dòng)的過程中會(huì)得到一系列的測試點(diǎn)值，如果有50%的測試點(diǎn)值小于某一值，則該值稱為50%耦合損耗，記為Lc50，如果有95%的測試點(diǎn)值小于某一值，則該值稱為95%耦合損耗，記為 Lc95。文中按照標(biāo)準(zhǔn)［7］將天線與漏纜之間的距離設(shè)定為2 m，取95%耦合損耗的數(shù)值進(jìn)行比較。

1.3 傳輸損耗

漏泄同軸電纜的傳輸損耗主要用來衡量能量在傳輸過程中的衰減程度，主要由3個(gè)因素決定:導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。

其中，αc為導(dǎo)體引起的衰減;αd為絕緣介質(zhì)引起的衰減;αr為輻射引起的衰減。

2 仿真與分析

文中以特性阻抗為75 Ω，傳輸頻率為450 MHz的漏泄同軸電纜為例進(jìn)行仿真分析，其內(nèi)導(dǎo)體采用標(biāo)稱直徑為8.0 mm的光滑銅管，介質(zhì)采用發(fā)泡度為76%的泡沫聚乙烯，絕緣外徑為32 mm，外導(dǎo)體為周期性開八字形槽孔的銅管，八字形槽孔結(jié)構(gòu)如圖2所示，槽孔節(jié)距P為435 mm，槽孔長度L為80 mm，槽孔寬度W為5 mm，槽孔角度α為16°。

圖2 八字形槽孔結(jié)構(gòu)示意圖

采用HFSS11，依據(jù)上述參數(shù)建立仿真模型。通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析得出該漏纜的95%耦合損耗為74.1 dB，傳輸損耗為2.16 dB/100 m。

以上述尺寸加工一段長度為52 m的樣品，實(shí)測時(shí)左右各留出5 m的裕量，半波偶極子天線的有效行程為42 m，450 MHz時(shí)耦合損耗實(shí)測結(jié)果如圖3所示。經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)后得出95%耦合損耗實(shí)測值為73.9 dB，傳輸損耗實(shí)測值為1.98 dB/100 m，與仿真結(jié)果吻合。

圖3 漏纜的耦合損耗實(shí)測圖

輻射型漏纜外導(dǎo)體上的八字形槽孔角度、長度和槽孔節(jié)距對(duì)耦合損耗有直接的影響［8］，下面討論當(dāng)只改變其中一項(xiàng)時(shí)耦合損耗的變化。

當(dāng)槽孔角度 α 分別取 7°、9°、11°、13°、17°、19°時(shí)，相應(yīng)的95%耦合損耗如表1所示，可以看出，隨著槽孔角度增大，耦合損耗相應(yīng)變小。這是因?yàn)殡S著槽孔角度的增大，在圓周方向被截?cái)嗟碾娏髟龆?，向外部空間輻射的電磁能量增加，耦合損耗相應(yīng)變小。對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，槽孔角度α與95%耦合損耗之間的關(guān)系可以近似用一條直線描述:Lc95=84.62－0.73α。

表1 漏纜耦合損耗隨八字形槽孔角度的變化

當(dāng)槽孔長度L分別取70 mm、77.5 mm、79.5 mm、85.5 mm、87.5 mm、95 mm時(shí)，相應(yīng)的95%耦合損耗如表2所示，可以看出，隨著槽孔長度增大，耦合損耗相應(yīng)減小。這是因?yàn)殡S著槽孔長度的增大，被槽孔截?cái)嗟碾娏髟龆啵蛲獠靠臻g輻射的電磁能量增多，耦合損耗相應(yīng)變小。槽孔長度L與95%耦合損耗之間的關(guān)系可以近似用一條二次曲線描述:Lc95=42.22+1.02L－0.0078 L2。

表2 漏纜耦合損耗隨八字形槽孔長度的變化

采用如下兩種槽孔節(jié)距調(diào)節(jié)方法，分析其對(duì)耦合損耗的影響。

由式(1)給出的輻射頻率計(jì)算公式可得，單模輻射的槽孔節(jié)距314 mm≤P≤942 mm。

方法1 槽孔節(jié)距改變時(shí)，八字形槽孔在一個(gè)周期內(nèi)始終均勻分布。當(dāng)槽孔節(jié)距分別取318 mm，368 mm，408 mm，418 mm，458 mm，468 mm 時(shí)，相應(yīng)的95%耦合損耗如表3所示，可以看出，槽孔節(jié)距增加時(shí)耦合損耗會(huì)變小。槽孔節(jié)距P與95%耦合損耗之間的關(guān)系可以近似用一條二次曲線描述:Lc95=228.89－0.65 P+0.000665 P2。

表3 方法一調(diào)節(jié)漏纜槽孔節(jié)距時(shí)耦合損耗的變化

方法2 圖2中，槽孔節(jié)距改變時(shí)，P1的大小不變，僅改變P2的大小。當(dāng)槽孔節(jié)距P分別取363 mm，388 mm，413 mm，463 mm，488 mm，513 mm 時(shí)，相應(yīng)的95%耦合損耗如表4所示，可以看出，槽孔節(jié)距增加時(shí)耦合損耗會(huì)變小。槽孔節(jié)距P與95%耦合損耗之間的關(guān)系可以近似用一條二次曲線描述:Lc95=181.55－0.44 P+0.000435 P2。

表4 方法二調(diào)節(jié)漏纜槽孔節(jié)距時(shí)耦合損耗的變化

利用上述兩種方法改變槽孔節(jié)距時(shí)，受到不同槽孔輻射場的相位疊加影響，槽孔節(jié)距增大時(shí)耦合損耗變小，但當(dāng)槽孔節(jié)距增大到一定值后，由于單位長度輻射的電磁能量減少，耦合損耗會(huì)變大。

3 算例

漏泄同軸電纜在實(shí)際生產(chǎn)過程中，外導(dǎo)體上周期性的八字形槽孔是靠模具在銅帶上沖孔得到的。所以模具一旦成型，槽孔的角度和長度將無法改變，上面提到的調(diào)節(jié)槽孔節(jié)距的方法2可以通過改變傳動(dòng)裝置速度實(shí)現(xiàn)，所以仍能對(duì)傳輸損耗和耦合損耗進(jìn)行調(diào)節(jié)，適合對(duì)已投入生產(chǎn)的漏泄同軸電纜的性能進(jìn)行微調(diào)。

文中以某型號(hào)漏泄同軸電纜為例，說明通過改變槽孔節(jié)距實(shí)現(xiàn)對(duì)漏纜耦合損耗和傳輸損耗調(diào)節(jié)的過程。

某系列漏纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:內(nèi)導(dǎo)體(螺旋皺紋銅管)外徑17 mm(波峰)、14 mm(波谷);管壁標(biāo)稱厚度0.35 mm;絕緣綜合發(fā)泡度:76%;絕緣標(biāo)稱外徑42 mm;外導(dǎo)體(銅帶)厚度0.1 mm。外導(dǎo)體上八字形槽孔尺寸如表5所示。

表5 某型號(hào)漏纜八字形槽孔尺寸

漏纜工作于900 MHz時(shí)95%耦合損耗仿真值為62.6 dB，傳輸損耗為2.7 dB/100 m。采用槽孔節(jié)距調(diào)節(jié)的方法2，槽孔節(jié)距為235 mm時(shí)95%耦合損耗為60.7 dB，傳輸損耗為2.6 dB/100 m，漏纜的電氣性能得到了改善，證明這種槽孔節(jié)距調(diào)節(jié)方法對(duì)于工程應(yīng)用具有參考價(jià)值。

4 結(jié)束語

漏泄同軸電纜耦合損耗與外導(dǎo)體上開槽的形狀和大小以及槽孔節(jié)距有密切關(guān)系。通過仿真分析，得出了八字形槽孔角度、長度和槽孔節(jié)距改變時(shí)耦合損耗的變化規(guī)律，并擬合出關(guān)系曲線。實(shí)際生產(chǎn)中，八字形槽孔是靠模具沖孔得到的，此時(shí)槽孔角度和長度將不能調(diào)節(jié)，本文提出的保持單八字形槽孔對(duì)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，僅改變相鄰八字形槽孔對(duì)之間距離的槽孔節(jié)距調(diào)節(jié)方法，經(jīng)驗(yàn)證可以改善漏纜的電氣性能。

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